Suhu operasi minimum - Luar Angkasa?


43

Saya telah melihat beberapa mikrokontroler dan saya telah melihat mereka memiliki beberapa suhu operasi minimum "aneh", seperti -25 derajat atau -10 derajat dll. Tetapi saya tidak dapat benar-benar memahami mengapa ada minimum, maksimum Saya mengerti karena semuanya meleleh dan pecah, resistensi meningkat membuat sinyal terlalu lemah. Tetapi ketika Anda pergi ke sisi dingin. Segala sesuatu menjadi lebih baik dan lebih baik, resistensi berkurang, semuanya menjadi lebih stabil. Namun ... suhu operasional minimum adalah -25 derajat ... Mengapa bukan 0 Kelvin?

Karena saya berpikir tentang mars-rover dan satelit lainnya, ketika mereka berada di belakang matahari, mereka beroperasi di hampir 0-50 kelvin, mars-rover ... menurut wiki, suhunya menjadi sedingin −87 ° C (- 125 ° F). Dan ini masih jauh lebih dingin dari -25 derajat.

Jadi, dapatkah ada yang menjelaskan kepada saya mengapa mikrokontroler memiliki suhu operasional minimum? Semakin teliti semakin baik.


1
-25 mungkin tidak cukup dingin untuk ruang tergantung pada kendaraan, dll. Juga saya ragu mikrokontroler Anda sangat keras sehingga tidak akan bertahan lama. Tetapi pikirkan tentang stereo mobil di alaska atau cananda atau perangkat lain yang mungkin menjadi dingin tetapi diharapkan masih berfungsi. Mati akan menghangat dengan cepat tetapi udara, dll di sekitarnya akan memakan waktu cukup lama. bagian komersial akan terkunci jika terlalu dingin dan kemudian meleleh jika Anda tidak mendeteksi undian saat ini dan mematikannya.
old_timer

Jawaban:


42

Edit ke-2! Dimodifikasi jawaban saya tentang semi-konduktor berdasarkan jawaban jk di bawah ini, baca riwayatnya jika Anda ingin melihat bit yang salah saya modifikasi!


Semuanya jadi aneh dalam batas-batas tertentu. Maksud saya, tentu saja, resistansi meningkat pada konduktor tetapi ia meningkatkan semi konduktor, dan perubahan itu memengaruhi cara IC bekerja. Ingatlah bahwa cara transistor bekerja atas dasar bahwa Anda dapat memodifikasi resistansi mereka, dan jika suhunya turun begitu rendah sehingga Anda tidak bisa lagi menurunkan resistansi, Anda punya masalah! Bayangkan bahwa tiba-tiba semi-konduktor Anda pada dasarnya menjadi sebuah resistor ... bagaimana Anda mengendalikannya? Tidak lagi berperilaku seperti itu! Sekarang saya agak bingung di mana Anda mendapatkan -25 ° C, karena spesifikasi industri / militer harus meletakkannya di -40 ° C untuk suhu operasi minimum.

Tetapi untuk pertanyaan luar angkasa, saya bisa menjawabnya saat saya bekerja di lab luar angkasa! Secara umum, Anda memiliki tiga masalah termal di ruang angkasa:

1) Di ruang angkasa, Anda hanya memancarkan panas. Radiasi adalah cara mengerikan untuk menghilangkan panas. Di atmosfer, Anda menghantarkan panas ke udara di sekitar Anda yang membuat pendinginan menjadi jauh lebih mudah. Jadi di ruang angkasa, Anda harus memakai heatsink besar untuk mendapatkan panas ke permukaan radiasi yang lebih besar.

2) Jika Anda memiliki komponen yang tidak menghasilkan panas, maka ruang dengan senang hati membiarkan Anda menjadi sangat dingin! Secara umum, yang Anda lakukan adalah Anda memiliki elemen pemanas aktif untuk menjaga komponen yang tidak menghasilkan lebih banyak panas daripada yang dipancarkan tetapi memiliki batas termal.

3) Pergerakan panas adalah hal biasa karena Anda akan keluar dan masuk kembali ke dalam sinar matahari. Jadi Anda harus memiliki manajemen termal aktif di mana Anda memiliki heatsink besar yang dapat memancarkan panas saat panas, dan pemanas saat itu tidak.

Anda juga bisa mendapatkan perangkat rentang suhu yang diperluas yang lebih rendah dan lebih tinggi, tetapi selalu ada batasnya. Beberapa di antaranya adalah untuk tempat suhu dingin akan memecahkan dadu karena logam akan menyusut lebih dari plastik (atau sebaliknya) yang mengapa mereka mencantumkan batas penyimpanan juga!

Batasnya sebagian besar dalam bahan. Anda juga cenderung mendapatkan keripik pengenal ruang yang terbuat dari keramik untuk kemasannya, yang juga dapat menaikkan atau menurunkan batas termal.

Bagaimanapun, saya harap itu menjelaskannya untuk Anda. Saya dapat mencoba dan menjawab pertanyaan lain, tetapi saya akui fisika semikonduktor suhu rendah bukan keahlian saya!


Edit 1:

Berikut ini tautan ke entri wikipedia tentang gagasan bahwa pada suhu yang lebih rendah ada lebih sedikit elektron yang cukup bersemangat untuk menghasilkan aliran arus melalui kisi semikonduktor. Ini seharusnya memberi Anda ide bagus mengapa perlawanan menjadi lebih tinggi, dan mengapa 0 Kelvin tidak akan pernah menjadi pilihan.


1
Baca menarik! Saya pikir memang kabel ikatan akan pecah dalam kemasan plastik karena penyusutan.
jippie

Stres CTE pada gold bondwire adalah salah satu faktor di bawah titik beku Ekspansi kelembaban pada titik beku jika ada masuknya .. akan mencukurnya.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Bukan suhu yang akan membunuh IC di luar angkasa, melainkan radiasi Gamma yang harus Anda khawatirkan.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

4
Ada banyak hal yang akan membunuh IC di luar angkasa. Penguncian karena radiasi jelas merupakan masalah, tetapi mereka telah melakukan beberapa pengujian dan ukuran manufaktur yang kecil pada transistor modern telah membuatnya jauh lebih tangguh daripada sirkuit lama (anehnya). Tapi bagaimanapun, saya tidak yakin bahwa Anda dapat memilih satu hal tentang lingkungan ruang dan berkata, "ITU! Itu hal yang akan membuatnya sulit." Itu semua sulit (ini bahkan tidak menyebutkan masalah outgassing yang membuat konektor berlapis seng pilihan yang buruk), dan itu semua keluar untuk membuat Anda di sana. Ruang sulit!
Kit Scuzz

1
Di atmosfer, Anda tidak hanya menghantarkan panas ke udara, tetapi Anda juga menggunakan konveksi untuk membawa udara panas itu dari sumber panas. Dua metode pendinginan untuk harga satu ... yang kebetulan gratis.
MBraedley

14

Jawaban Kit sudah benar tentang komponen di ruang angkasa, tapi saya pikir saya akan sedikit memperluas semikonduktor vs konduktor (sangat longgar tanpa matematika).

Resistensi konduktor menurun dengan penurunan suhu. Ini longgar, karena hambatan berasal dari elektron yang mengalir bebas yang diperlambat oleh getaran dalam kisi kristal yang mereka lewati. Turunkan suhu berarti lebih sedikit getarannya.

Resistensi semi-konduktor meningkat dengan penurunan suhu. Ini longgar, karena mereka tidak memiliki elektron bebas untuk membawa muatan pada suhu rendah. Ketika mereka dihangatkan, mereka mendapatkan lebih banyak pembawa muatan dan ini menimbang resistensi ekstra dari peningkatan getaran dalam struktur.

Terakhir, superkonduktor mengandalkan fenomena kuantum aneh. Entah pada suhu yang sangat sangat dingin dan / atau dengan memiliki elektron bebas mereka terbatas pada film 2d daripada 3d padat yang memungkinkan fisika menjadi lebih aneh.


Apakah ini menyiratkan bahwa elektronik semikonduktor-kurang umumnya akan lebih dapat diandalkan daripada elektronik semikonduktor dalam suhu yang sangat rendah?
Lie Ryan

3
@ LieRyan Apakah itu tidak tergantung pada apa yang Anda gunakan saja? Sebagai contoh, tabung vakum yang bekerja di lingkungan suhu yang sangat rendah bagi saya tampaknya memiliki risiko kegagalan yang tinggi karena perbedaan suhu yang ekstrem antara bagian dalam (filamen) dan lingkungan sekitar, kecuali jika langkah lain diambil.
CVn

Ya, sudah lama sejak saya mengambil fisika perangkat ... Terima kasih atas koreksinya!
Kit Scuzz

4

menambahkan Aerospace Vehicle Systems Institute (AVSI) telah melakukan penelitian terhadap pertanyaan ini.

"Pendekatan Fisika-of-Kegagalan Kuantitatif Akurat untuk Keandalan Sirkuit Terpadu" Kesimpulan mereka didasarkan pada analisis fisika dan akar penyebab terutama karena ukuran fitur telah menyusut pesanan besarnya selama 30 tahun terakhir.

1) ElectroMigration (EM) (kontaminasi semikonduktor dari kebocoran ion logam yang lambat)

2) Time Dependent Dielectric Breakdown (TDDB) atau tunneling lambat dari jalur konduktor melalui isolator oksida dari medan lemah (dan radiasi gamma)

3) Hot Carrier Injection (HCI) , ketika konsentrasi lubang melompati penghalang dielektrik dalam perangkap muatan yang digunakan oleh sel memori untuk secara permanen mengubah keadaan memori yang disebabkan oleh radiasi yang secara bertahap mengikis margin sampai kegagalan.

4) Negatif Bias Temperatur Ketidakstabilan (NBTI) NBTI menekankan, yang menggeser tegangan ambang transistor PMOS, telah menjadi lebih menonjol sebagai geometri transistor mencapai 90 nm dan di bawah dan diperparah oleh perangkap muatan durasi lama statis yang cukup untuk menyebabkan kegagalan.

EMPAT ALASAN di atas adalah yang paling umum sekarang dengan IC luar angkasa serta IC konsumen. Ruang memiliki lebih banyak faktor radiasi dan tekanan lingkungan. Hukum Moore juga mempercepat mode kegagalan baru ini.

Secara historis, alasan umum paling umum untuk IC teknologi lama terbatas dalam kisaran suhu adalah karena beroperasi dengan pengemasan & tekanan lingkungan.

Syok termal, kondensasi, dan penguapan cepat serta efek analog dari penyimpangan termal. IC konsumen dibatasi 0 ~ 85'C dalam kasus plastik karena alasan ini. Ini bukan segel sempurna dan masuknya uap air dimungkinkan. Tetapi bahkan ruang kaca yang dikeraskan IC keramik pasif memiliki batas termal. Selain masalah kelembaban yang dinyatakan di bawah ini, baca masalah terkonfirmasi terbaru di atas.

Akhiri edit

Jika ada cukup molekul air dari waktu ke waktu dan ia membeku dan memecahkan substrat itu gagal .. Jika itu berfungsi ok dalam keadaan beku dengan molekul air beku dan kemudian mencair dan menyebabkan korosi atau kebocoran dan gagal. Itu salahmu. Beberapa segel plastik sedikit lebih baik dan pemanasan sendiri mencegah beberapa pembekuan di bawah suhu tertentu ini juga mengurangi migrasi kelembaban.

Pada akhirnya, efek popcorm menyebabkan kelembaban untuk meniup keripik dan tingkat epoksi Hitam telah meningkat secara signifikan selama 40 tahun terakhir karena Sumitomo. Clear Epoxy tidak sebagus dan digunakan dalam beberapa kasus LED atau perangkat IR. Jadi LED harus tetap kering sebelum disolder. Desain modern dari mesin LED besar tanpa wirebonds kumis emas dinilai untuk RH @ Temp tertentu tanpa batas, sementara sisanya berisiko setelah beberapa hari terbuka paparan RH tinggi. Benar-benar itu risiko yang valid dan sama buruknya dengan melukai mereka ESD, kecuali itu memotong kabel emas.

Inilah sebabnya mengapa semua ruang atau bagian temp temp militer cenderung cenderung keramik dengan lapisan kaca pada lead dan bagian konsumen dinilai 0'C.

Pengecualian apa pun seperti rentang suhu Industri dan Militer disebabkan oleh spesifikasi yang lebih ketat yang diperlukan untuk Militer pada rentang temp yang lebih luas daripada Industri, tetapi keduanya berfungsi pada rentang yang luas, hanya saja tidak dijamin spesifikasi analog.

CMOS bekerja lebih cepat daripada dingin. TTL lebih cepat panas daripada dingin dan suhu persimpangan turun untuk menghilangkan lebih sedikit panas. Saya telah menguji HDD 8 "disk drive di atas sekantong es kering <-40'C setelah satu jam hanya untuk militer untuk membuktikannya bekerja, tetapi tidak ada jaminan dengan kondensasi mencegah kecelakaan kepala .. (bantalan motor memekik untuk beberapa detik ... tetapi melewati 0'C dari pembekuan naik ... itu risiko kelembaban.


menambahkan referensi jurnal sebagai bukti. Faktor keandalan yang membatasi yang mempengaruhi suhu SEMUA sirkuit terpadu (terutama chip besar seperti mikrokontroler) adalah kemasan mekanis lebih dari fungsi semikonduktor. Ada ratusan artikel reliabilitas untuk menjelaskan hal ini. Ada juga artikel untuk menjelaskan mengapa ada varian batas suhu rendah. Beberapa dinilai dari -40'C untuk alasan yang baik, dan yang diperpanjang dari 0'C mungkin karena alasan yang buruk. Meskipun tidak secara eksplisit menyatakan bahwa laba adalah alasan, insinyur junior salah menerapkan HALT secara tidak layak untuk memperluas rentang kualifikasi yang berisiko dari kesalahpahaman tentang migrasi kimia dan tekanan struktur yang ada. Sementara perusahaan yang lebih bijak akan kembali dengan alasan yang baik, yang saya akan mendukung dengan referensi di bawah ini.

1. Properti yang tertutup rapat bukan merupakan fenomena digital.

Ini analog dan berhubungan dengan jumlah masuknya atau kebocoran kelembaban yang secara atomik masuk ke dalam paket mekanis.
masukkan deskripsi gambar di sini Sebagaimana dinyatakan dalam tautan di atas

  1. "outgassing internal dapat menyebabkan pembentukan kondensasi tetesan air, sehingga mengganggu kinerja perangkat dan akhirnya menyebabkan kegagalan perangkat." 2. "segel yang diproduksi awalnya kedap udara, tetapi cenderung gagal secara tropik selama perendaman yang lama dan siklus suhu dalam larutan garam karena perbedaan CTE antara dinding kapsul kaca (5,5 × 10−6 / ◦C) dan 90% Pt – 10% umpan balik Ir (8,7 × 10–6 / ◦C). "

  2. "Dari nomograf pada Gambar. 6, dapat dilihat bahwa pada 1,0 atm dan 0◦C, konsentrasi kelembaban yang dibutuhkan untuk membentuk tetesan air adalah 6.000 ppm. Pada tingkat di bawah persentase uap air ini, tetes cairan tidak akan mampu Oleh karena itu, sebagian besar bahan dan proses penyegelan dipilih untuk menjaga lingkungan paket internal pada atau di bawah 5.000 ppm kelembaban selama masa pakai perangkat. " Namun kontaminasi dapat mengubah ini. masukkan deskripsi gambar di sini

Saya bisa menulis buku tentang hal ini, tetapi kemudian sudah banyak yang lain, jadi saya hanya akan referensi beberapa literatur, yang akan membuktikan jawaban saya valid .

Kata kunci dengan tautan


1
Saya tidak berpikir ini merupakan alasan bahwa sirkuit tidak akan bekerja di bawah suhu tertentu. Tentu saja itu sebabnya siklus suhu pada IC akan mengakhiri hidup mereka, dan mengapa kelembaban akan menyebabkan masalah selama pembuatan, tetapi ini bukan pertanyaan yang ditanyakan ...
Kit Scuzz

Tidak hanya selama tapi sesudahnya. Saya hanya menjawab pertanyaan Anda. Tolong lihat bukti ditambahkan ke Jawaban saya. Masuknya uap air, tekanan, CTE, dll. Dan pengemasan adalah keterbatasan fungsional semua cara IC sebelum batas teoritis yang didiskusikan sebelumnya. Saya mencoba untuk tetap membumi dan relevan.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Saya tidak menyangkal bahwa jawaban Anda valid dan saya tidak berusaha menjadi jahat! (Maaf jika saya datang dengan cara itu) Masuknya uap air selama siklus temperatur dan produksi adalah masalah yang dapat menyebabkan banyak masalah. Saya mencoba mengatakan bahwa itu tidak menjawab pertanyaan yang diajukan di utas ini, yaitu "mengapa ada suhu operasi minimum?"
Kit Scuzz

3
Saya tidak percaya bahwa prosesor c6701 pengerasan-radiasi TI mencantumkan suhu minimum -55 ° C karena masalah kelembaban. Jika saya memiliki c6701 di satelit di orbit GEO di mana tidak ada lagi kelembaban yang bisa didapat, itu akan gagal pada -70 ° C karena alasan listrik dan mekanik yang tidak tergantung pada kelembaban. Dan saya pikir si penanya lebih banyak bertanya tentang jenis kegagalan ini daripada kegagalan suhu yang disebabkan oleh suhu (karena itu pertanyaan spesifik tentang sistem ruang).
Kit Scuzz

Jika Anda bertanya tentang bagian tertentu, saya akan memberikan jawaban yang spesifik. Karena pertanyaan Anda tentang aneh -10'C dan IC militer non-std lainnya dan pertanyaan umum tentang beberapa prosesor mikro, saya memberikan jawaban yang secara umum tersirat benar. Jika Anda menginginkan jawaban yang relevan pada satu p / n, ajukan pertanyaan baru. BTW saya ingat ketika saya membayar $ 500 untuk hybrid Durr Burr Brown 883B @ 12MHz yang memiliki inspeksi X-RAY dll dan masih memiliki kode yang hilang dari gangguan tanah digital dari driver biner internal yang menggeser tegangan referensi ... FYI
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.